GSM: где, как и при помощи чего лучше искать сеть?
Скорости передачи данных в сотовых сетях растут год от года, эволюционируют мобильные сервисы, беспроводной видеозвонок – далеко уже не чудо, контент-провайдеры готовы сводить вас к ближайшему стоматологу и даже показать Землю из космоса… Но, к сожалению, отечественный рынок не всегда успевает за новыми технологиями, потому подавляющее большинство российских операторов мобильной связи, как и их коллеги из 112 стран, используют далеко не новый и прогрессивный, но всё ещё самый популярный в мире стандарт GSM. Многие могут резонно заметить: «Мне всё равно, какой там стандарт, я беру телефон и разговариваю». Но найдутся и такие, кому небезынтересно устройство огромной радиосети, равно как и ответ на вопрос: «Почему иногда не ловит?»
GSM-вышка
Типичная GSM-вышка, которая используется сразу несколькими операторами, причём не только мобильными. Совместная аренда несущей конструкции снижает себестоимость покрытия сетью
Для начала попытаемся разобраться со спецификациями цифрового стандарта GSM (Global System for Mobile Communications). Чтобы не перегружать сугубо техническими терминами, попробуем представить ситуацию со стороны обычного пользователя, незнакомого с радиоэлектронными тонкостями. Определимся со структурой сети: мобильный телефон есть не что иное, как подвижная станция или терминал, тогда как «вышкой» или «сотой» (в просторечии в ходу много названий) принято называть базовую станцию (БС), которая состоит из антенны, а также контроллера и коммутатора, при помощи которых осуществляется удалённое управление БС. Тут следует заметить, что правильнее было бы под сотой понимать принцип размещения БС на местности – по углам правильного шестиугольника.
Схема распределения приоритетов соединения с БС в сети
Схема распределения БС на местности. Телефон подключён лишь к одной станции, но также связан и с близлежащими БС, чтобы в случае появления более сильного сигнала с соседней базы переключиться на неё
Сами БС связываются с основным сервером оператора посредством оптоволоконных высокоскоростных соединений или при помощи радиоканала. Ещё в далёком 1980 году для GSM-900 в евроазиатском регионе был выделен диапазон частот 862-960 МГц. На сегодняшний день операторами используются диапазоны 890-915 МГц для передачи сигнала телефона и его приёма базовой станцией и 935-960 МГц для передачи с БС и приёма телефоном. Позднее появился также стандарт GSM-1800, который позволил увеличить плотность сети и снизить мощность передатчиков мобильных телефонов. Рабочие диапазоны для этого стандарта составляют 1710-1785 и 1805-1880 МГц соответственно. США и Канада используют стандарты GSM-950/1800. Отличные от европейских частоты выделены для того, чтобы избежать интерференции с близкими соседними диапазонами, задействованными под другие нужды. Большинство мобильных телефонов выпускается специально для того или иного региона. Про эволюцию радиосетей можно узнать подробнее в нашем материале «Четвёртое поколение сотовой связи: Интернет в мобильнике со скоростью 2,5 Гбит/с – реальность или миф?».
Двойная антенна, смонтированная на крыше жилого дома
В качестве несущей конструкции могут быть использованы высотные здания, уже имеющиеся телевизионные или радиомачты, трубы ТЭС и прочие высокие строения. Часто встречаются комбинированные антенные схемы: к примеру, одна антенна для GSM-900/1800, а другая для UMTS или две одинаковые для охвата большей территории более широким лучом
Мощность типичной антенны БС составляет порядка 20-35 Вт, тогда как мощность приёмника телефона – до 2 Вт для GSM-900 и до 1 Вт для GSM-1800. Именно потому время работы телефона от аккумулятора в сети GSM-1800 немногим больше, чем в GSM-900. Есть множество различных факторов, которые по-разному влияют на силу приёма сигнала телефоном. К примеру, для покрытия удельной территории сетью GSM-1800 требуется значительно больше БС, чем для GSM-900, потому первый стандарт целесообразно использовать лишь на плотно населённой местности. Мы обратились за разъяснениями этих вопросов к специалистам. Консультирует [Belnetmon TEAM].
Наиболее широко используемые операторами для наземного покрытия антенны фирм Kathrein и Allgon
Ferra.ru: Какие основные факторы влияют на распространение радиосигнала от GSM-вышки к мобильному телефону? Belnetmon: Среди самых значимых следует отметить мощность, на которой работает антенна на вышке, а также конструкцию антенны, угол её наклона, азимут установки и высоту антенны (или вышки). Очевидно, что при большой высоте естественных преград (холмистая или гористая местность) может понадобиться или установка более мощных передатчиков, или увеличение количества вышек для покрытия сетью такого района, а наилучший приём в таком случае часто возможен лишь при прямой видимости передатчика приёмником. В номинальной по спецификациям конфигурации вышки передатчик GSM-900 охватывает большую территорию, чем GSM 1800. Кроме того, погода также порой является важным фактором, равно как и технические особенности самого телефонного аппарата.
Слева направо: универсальная антенна Kathrein 739 623 (900 МГц, 2 метра в высоту, луч 65°), универсальная антенна Allgon 7330.00 Dualband (900/1800 МГц, 1,5 метра, луч 65°), трассовая антенна Kathrein K73 45 647 (900 МГц, 2,5 метра, луч 36°)
Ferra.ru: Влияют ли на силу приёма GSM-сигнала мощные источники электромагнитного излучения, бетонные стены, преграды из металла, воды, земли и так далее? Belnetmon: Все эти помехи ослабляют сигнал в той или иной мере или даже полностью глушат его. Всё зависит от плотности материала преград и их физических характеристик. К примеру, в комнате, стены которой состоят из железобетонных конструкций (арматурный каркас заливается бетоном), сила приёма может быть равной нулю, если размер ячейки арматуры меньше длины волны GSM-сигнала. А что касается ЭМИ, то источники излучения не СВЧ-диапазона влияют на силу приёма незначительно. Ferra.ru: Почему сила приёма сигнала мобильным телефоном, находящимся прямо под вышкой, часто заметно ниже, чем в нескольких десятках метров от базы? Belnetmon: Есть такое понятие – диаграмма направленности излучения от антенны. В соответствии с этой диаграммой формируется луч от антенны, который идёт ни вверх, ни вниз (по этим направлениям он чаще всего бесполезен), а вперёд или вокруг вышки по горизонтальной плоскости под небольшим углом вниз. К примеру, для покрытия сетью городской территории, застроенной многоэтажными домами, чаще всего применяются антенны с лучом 65 (реже 88) градусов с вертикальной или вертикально-горизонтальной поляризацией, тогда как для ровной местности или автотрасс достаточно горизонтального луча примерно 36 градусов.
Особая тема для разговора – связь в метро. Исторически сложилось так, что первопроходцем в этой области стал «Северо-Западный GSM», который позднее преобразовался в «МегаФон», а первые телефонизированные станции подземки появились в Санкт-Петербурге лишь в конце 1999 года. Затем московский «андеграунд» начали осваивать МТС и «Билайн». Разные операторы по-разному покрывают метро: кто-то сразу ветками, кто-то отдельными станциями. Есть два сдерживающих фактора развития подземной сотовой инфраструктуры. Первый заключается в дороговизне оборудования и монтажных работ. Подключить одну станцию стоит в среднем от 30 до 60 тыс. долларов, а кроме того, места для БС, коммутаторов, контроллеров и дополнительных соединительных кабелей критически мало – советские метрострои не делали поправки на технопрогресс. Второй фактор заключается в ограничении монтажных работ по времени. Проводить их можно только ночью, когда станции закрыты, а это всего несколько часов. В общих чертах, до полного покрытия московского метро ещё далеко, но все пересадочные и конечные станции уже достаточно давно подружились с GSM. Более подробно про подземную мобильную жизнь можно почитать в материале «Связь в московском метро».
Карта покрытия сети «Билайн»
Карта покрытия сети «Билайн» на февраль 2007 года*
Карта покрытия сети «МегаФон»
Карта покрытия сети «МегаФон» на февраль 2007 года*
Карта покрытия сети «МТС»
Карта покрытия сети МТС на февраль 2007 года*
* Официальные данные от компании, гарантирующие стабильность приема сигнала на указанных станциях. Однако в реальности на многих не указанных на картах станциях также никаких проблем с разговором по мобильнику не возникло, но, видимо, «гарантия» на стабильный сигнал с БС на эти станции пока не распространяется.
Если затронуть сугубо техническую сторону освоения метро, то тут операторам часто приходится изощряться, чтобы снизить затраты на каждую станцию. Часто одна подземная БС имеет несколько антенн (одна для платформы, вторая для перехода), или даже одна БС покрывает сразу несколько станций метро, если это соединение нескольких линий или они находятся близко друг от друга. Основные сложности в этом случае связаны с тем, что разного рода преграды мешают распространению сигнала, потому антенн приходится использовать очень много.
Наиболее широко используемые операторами для подземного покрытия антенны фирмы Kathrein
Ferra.ru: Какие существуют особенности конструкции и функционирования базовых станций, установленных в метро? Почему сигнал чаще всего прерывается между станциями подземки, ведь радиус охвата одной БС превышает расстояние между остановками? Belnetmon: Подземные антенны разнообразны по своей форме и размерам, но чаще всего они невелики и монтируются, как правило, непосредственно на месте въезда и/или выезда состава поезда на станцию, а именно на стенах или потолках. Такое расположение позволяет охватить сигналом как платформу, так и часть туннеля.
Слева направо: направленная антенна Kathrein 732267 (900 МГц, луч 36°), Kathrein 738 445 в форме трапеции «светит» сразу в две стороны (900/1800 МГц, высота 30 см)
Что касается расстояния между станциями, то тут существует ряд ограничений по характеристикам как самого стандарта GSM, так и требований службы санитарного надзора. В метро устанавливаются маломощные антенны, потому что санстанция строго следит за мощностью любых источников ЭМИ в местах массового скопления людей, а ввиду того что тоннели метро чаще всего имеют изогнутую форму, GSM-сигнал быстро затухает. Происходит это потому, что GSM-оборудование не работает с отражённым сигналом, тогда как, к примеру, CDMA из-за другого метода кодирования отлично работает с отражённым сигналом, и в тоннелях метро чаще всего имеется полное покрытие этим типом связи.
Физическую интерпретацию рекламных кампаний по продаже «защитных» аксессуаров представляет Олег Котелев (Oleg_Kotelev@tut.by), мастер по ремонту GSM-телефонов:
| _Ferra.ru: Есть ли проверенный способ защититься от «вредных» электромагнитных излучений телефона? В различных СМИ с завидной периодичностью появляются сообщения о «магических» защитных накладках и присосках для мобильников, которые якобы оберегают человеческий мозг от пагубного воздействия ЭМИ. Работают ли такие средства на самом деле?_О. К.: Как бы это получше объяснить... Придумано очень много способов, как извлечь прибыль из воздуха. Мобильные телефоны в данном случае не исключение. Учёные ещё не пришли к единому выводу об опасности (или безопасности) использования сотового телефона. Есть номинальный общепринятый параметр SAR (Specific Absorption Rate), показывающий удельное облучение на единицу массы. Именно на этот показатель каждой отдельно взятой модели телефона и стоит ориентироваться. Элементарные знания электроники и теории распространения волн СВЧ-диапазона позволяют понять абсурдность различных «примочек» подобного рода. Возьмём, к примеру, закон сохранения энергии: энергия не появляется из ниоткуда и не исчезает никуда. В таком случае куда же исчезает поглощённое «защитой» излучение? Как минимум электромагнитная энергия должна была бы преобразоваться в тепловую, а такого преобразования, конечно же, не наблюдается. Если положить такую накладку или присоску в микроволновую печь (чем не излучение мобильника, умноженное в несколько раз?!), то не произойдёт никакого нагрева. Следовательно, мы имеем дело с обычным диэлектриком (изолятором) или, хуже того, с кусочком качественной резины или пластмассы. С точки зрения радиоэлектроники сотовый телефон не опаснее холодильника или телевизора. |
Советуем обратиться к нашему материалу «Влияние мобильных телефонов на здоровье: реальная угроза или очередной миф?» для более детального ознакомления с этим вопросом.
Часто случается так, что у бабушки в деревне, на диком пляже в Крыму или просто в суровой бурятской степи приём сигнала значительно затруднён ввиду малой плотности БС на данной территории. В таком случае может помочь обычная выносная автомобильная антенна, которая подключается непосредственно к телефону. Уже на этапе выбора телефона для нестандартных условий использования следует позаботиться о наличии наружного разъёма на корпусе для подключения антенны. К сожалению, большинство современных моделей такого разъёма лишены, обусловлено это тем, что в США и развитой части Европы найти белое место на карте покрытия операторов очень сложно. Можно порекомендовать лишь обратиться к старым моделям, к примеру, бывший в употреблении Siemens ME45 за $10 отлично справится с поставленной задачей.
Автомобильные антенны
Слева направо: американские автомобильные антенны Cosmtec для крепления на кузове и стекле
Большинство китайских автомобильных антенн низшего ценового диапазона (до $15) способны улучшить качество приёма на 1-2 деления индикатора сигнала телефона (до 5 дБ), чего хватит для SMS или голосового общения с «похрипываниями». Рекомендовать какую-то отдельную марку тут просто бессмысленно – их огромное множество. Лучше всего во время покупки выбрать место, где приём не очень уверенный (подвальное помещение или строение с толстыми стенами), и опробовать устройство самостоятельно. Слово «автомобильная» в описании антенны может ввести в некоторое заблуждение. На самом деле такую антенну можно прикрепить на крышу дачного домика или просто поднять повыше при помощи подручных средств – чаще всего этих действий достаточно для заветного коннекта с БС. Если нет, то не мешало бы обзавестись волновой антенной (похожа на те, что служат для приёма эфирного ТВ). Основной её минус в том, что она узконаправленная, потому требует точной предварительной настройки, а кроме того, стоит на порядок дороже (от $40), зато способна повысить коэффициент усиления до 15 дБ (примерно 3-4 деления индикатора). Оптимальная длина коаксиального соединительного кабеля между телефоном и антенной – до 20-30 метров. Если и это не помогло, то остаётся лишь спутниковая связь.
Антенна на магните
Антенну на магнитной подушке можно просто прилепить при необходимости на любую металлическую поверхность
Обоснованность использования дискретных антенн комментирует Олег Котелев.
| Ferra.ru: Как на силу приёма телефона влияет использование внешних антенн? О. К.: Внутренняя или внешняя антенна – существенной разницы нет. В этом случае основной момент – правильный геометрический расчёт антенны. Если резонансная частота антенны (грубо говоря, это частота, при которой антенна имеет наибольший КПД), определяемая геометрией самой антенны, совпадает с частотой работы передатчика и приёмника, то сила приёма сигнала и дальность работы телефона будут максимальными. Кроме того, дальность приёма ограничена временем распространения сигнала (характеристика присуща исключительно цифровым видам связи) и для GSM 900 МГц составляет максимум 35 км. Так что бесконечно наращивать мощность передатчика и чувствительность приёмника смысла нет._Ferra.ru: По какому принципу действуют разнообразные мигающие аксессуары, которые сигнализируют о звонке? Как они работают и от чего питаются?_О. К.: Схема очень проста и частично напоминает обычный приёмник. Такой приёмник содержит антенну (типа «полуволновой вибратор»; габариты очень небольшие, так как диапазон – СВЧ), усилитель высоких частот, детектор и индикатор. Реагирует такой приёмник на очень широкий спектр излучения. Питание осуществляется от малогабаритных элементов питания. Основной расход энергии идёт непосредственно на световой элемент. |
В деле поиска сигнала важную роль играет Netmonitor – специальная программа, встроенная в телефон производителем или установленная пользователем, которая снимает показания с радиомодуля мобильника и представляет эти данные в удобном виде. Активация этой программы для разных моделей происходит по-разному. К примеру, для Symbian и Windows Mobile есть специальные приложения, в обычных телефонах может потребоваться перепрошивка. Своего рода Netmonitor – палочки сигнала на экране в режиме ожидания, только порой совершенно бесполезный. Полноценный Netmonitor показывает уровень сигнала в дБ, а также информацию (номер, частота, диапазон и прочее) об используемой в данный момент БС, а иногда ещё и о ближайших БС. Точный показатель уровня сигнала поможет найти дорогу к БС и стабильную связь даже в дремучем лесу. Занятие, конечно, нетривиальное, сродни спортивному ориентированию, но таковы уж отечественные реалии и качество услуг связи.
Среди самых простых способов повысить силу приёма можно припомнить следующий алгоритм: включите спикерфон, поместите телефон, к примеру, на ветку дерева или что-нибудь похожее и отойдите на метр или около того. Это может дать до 10-20% улучшения качества приёма. Объясняется столь неординарный подход очень просто: до 10-20% мощности GSM-сигнала поглощается самим разговаривающим или другими крупными плотными предметами, которые располагаются поблизости или контактируют с телефоном.
И напоследок расскажем про возможные пути «избавления» от GSM-сигнала, потому как уже сегодня часто встречаются места, где использовать телефоны запрещено. Это может быть больница, где есть опасность частотной интерференции с медицинскими аппаратами; самолёт, где работа телефона может повлиять на бортовое оборудование; университет – чтобы исключить возможность списывания; или же, к примеру, ваше рабочее место – для обеспечения пущей безопасности.
Портативная GSM-глушилка «Скорпион»
Малогабаритное устройство подавления GSM-сигнала «Скорпион». Радиус действия до 5 метров. Может работать около 1 часа от двух элементов питания типа AAA
Стационарная GSM-глушилка «Аллигатор» SUPER-40
Ferra.ru: Как устроена GSM-глушилка и каков принцип её работы? Belnetmon: Это обычный широкополосный генератор шума с двумя несущими частотами (на 900 и 1800 МГц), который покрывает сразу много каналов GSM, делая приём невозможным. Радиус действия такого устройства составляет порядка 20-100 метров в зависимости от конструкции и местности, на которой оно используется. Стоимость обычной офисной глушилки всего около $80-100.
Стационарный подавитель GSM-сигнала «Аллигатор» SUPER-40. Радиус – до 40 метров. Питается от сети
Не так давно отечественные законодатели хотели запретить мобильники даже в театрах, но этот законопроект был успешно отклонён ввиду возможности возникновения экстренных ситуаций, когда наличие связи с внешним миром очень важно.
Вердикт Ferra.ru
Надеемся, что этот материал помог разобраться во всех тонкостях той огромной инфрастуктуры, которая стоит за совсем небольшим сотовым телефоном, а также в достаточной степени прояснил некоторые важные моменты, которые касаются использования мобильника в местах неуверенного приёма. В следующий раз, когда палочек индикатора сети не останется вовсе, вы будете знать, что делать, – и это самое главное. А наша прикладная рубрика в грядущем выпуске поведает обо всех подводных камнях в сфере ремонта GSM-аппаратов и расскажет о нелёгком труде телефонных дел мастера. Следите за обновлениями!